[논문 리뷰] On the use of impedance detuning for gastrointestinal segment tracking of ingestible capsules

Erdem Cil, Ícaro V. Soares외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 16.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 40인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 위장관(GI) 세그먼트(위, 소장, 대장)의 위치 추적을 위해 삼키는 캡슐 내 미는 다이폴 안테나의 임피던스 딜런싱을 사용하여, 조직의 전자기(EM) 특성 변화로 인한 반사계수(S11)의 위상 및 크기 변화를 측정함으로써 실시간 비침습적 캡슐 위치 추적을 제안한다. 조직 모의 액체 및 유효 조직 모델에서의 실험 결과, 조직 간 최소 위상 차이가 약 10°로 관찰되어 위상 변화가 실시간, 비침습적 위치 추적에 충분한 정보를 제공함을 확인하였다. 이는 상용 RF 컴포onent을 사용할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

During their travel through the gastrointestinal tract, ingestible antennas encounter detuning in their impedance response due to varying electromagnetic properties of the surrounding tissues. This paper investigates the possibility of using this impedance detuning to detect in which segment of the gastrointestinal tract - stomach, small intestine, or large intestine - the capsule is located. Meandered dipole antennas operating in the 433 MHz Industrial, Scientific, and Medical Band are designed for this purpose. The antennas conform to the inner surface of 3D-printed polylactic-acid capsules with a shell thickness of 0.6 or 0.4 mm. The impedance response is first optimized numerically in a homogeneous cylindrical phantom with time-averaged electromagnetic properties. The magnitude and the phase of the reflection coefficient are then obtained in different tissues and compared with simulations and measurements. The experimental demonstration is carried out first using tissue-mimicking liquids and then in a recently deceased ex vivo porcine model. The minimum change in the phase between different gastrointestinal tissues was determined to be around 10 degrees in the porcine model, indicating that the changes in the impedance response, particularly the changes in the phase, provide sufficient information to follow the position of the capsule in the gastrointestinal tract.

연구 동기 및 목표

• 삼키는 캡슐 내 안테나의 임피던스 딜런싱이 캡슐이 위치한 위장관 세그먼트(위, 소장, 대장)를 식별하는 데 사용될 수 있는지 조사하기.
• 반사계수(S11)의 위상 및 크기를 조직 특유의 전자기(EM) 특성의 지표로 사용할 수 있는지 평가하기.
• 실제 조직 이질성을 반영한 조직 모의 액체 및 유효 돼지 모델을 사용하여 방법의 타당성을 실험적으로 검증하기.
• S11 위상 변화가 위장관 조직 간에 충분히 구별 가능하여 추가 센서 없이도 신뢰성 있는 위치 추적을 가능하게 하는지 입증하기.

제안 방법

• 100µm 두께의 Rogers CLTE-MW 기판에 형광된 미는 다이폴 안테나를 제작하고, 0.6 mm 또는 0.4 mm 두께의 3D 프린팅 폴리락타이드산(PLA) 캡슐에 형상 일치 방식으로 통합하기.
• 433 MHz에서 시간 평균 위장관 조직의 전자기 특성(εr=63, σ=1.02 S/m)을 가진 균일한 실린더형 필름에서 안테나 트레이스 길이(0.6 mm 두께일 경우 16.9 mm, 0.4 mm 두께일 경우 14.5 mm)를 수치 최적화하기.
• 표 1의 조직 특유의 전자기 특성 값을 사용하여 위장, 소장, 대장의 특성을 반영한 수치 필름에서 S11 크기 및 위상 시뮬레이션 수행하기.
• 위장관 조직의 전자기 특성과 유사한 조직 모의 액체를 사용한 실험적 검증 후, 최근 사망한 돼지 모델에서 유효 조직 측정 수행하기.
• 캡슐을 10 cm 깊이 삽입한 상태에서 434 MHz에서 다섯 위치(M1: 위, M2: 12지방, M3, M4: 소장, M5: 대장)에서 S11 크기 및 위상 측정하기.
• 중심에 위치한 피드 방식 대비 50 Ω 임피던스 매칭을 향상시키기 위해 중심에서 6.3 mm 떨어진 오프셋 피드 방식을 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼키는 안테나의 임피던스 딜런싱을 통해 S11 크기 및 위상 변화를 기반으로 위장관 세그먼트를 구별할 수 있는가?
• RQ2 신뢰성 있는 위치 추적을 가능하게 하기 위해 필요한 최소 측정 위상 차이는 얼마인가?
• RQ3 유효 조직 모델에서 실제 조직 이질성과 공기 간극이 균일한 필름 또는 액체 모델 대비 임피던스 변화 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 상용 저전력 RF 컴포넌트가 실시간 위치 추적에 필요한 위상 변화를 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 유효 돼지 조직 모델에서 다양한 위장관 조직 간 최소 측정 위상 차이는 약 10°로 관찰되어 세그먼트 수준의 위치 추적에 충분한 민감도를 확보함을 시사한다.
• 조직 이질성과 공기 간극으로 인해 유효 돼지 조직에서 S11 위상 변화가 조직 모의 액체보다 더 명확하게 구별됨을 확인하였다.
• 0.6 mm 및 0.4 mm 두께의 캡슐 모두에서 S11 위상은 일관된 경향을 보였음: M1(위)에서 M2(12지방)로 감소하고, M4(소장)에서 M5(대장)로 증가함으로써 측정 안정성을 확인함.
• 0.6 mm 두께일 경우 434 MHz에서 S11 크기의 최소 차이는 0.9 dB, 0.4 mm 두께일 경우 1.1 dB로 관찰되어 크기 변화는 측정 가능하지만 위상 변화보다는 덜 뚜렷함.
• 위상 응답은 크기보다 더 민감하고 신뢰성 있는 조직 구분 능력을 보였으며, 이는 주로 위치 추적 지표로 사용될 수 있음을 뒷받침함.
• 결과적으로 표준 RF 컴포넌트를 사용한 위상 기반 임피던스 센싱이 위장관 내 실시간 완전 무선 캡슐 위치 추적에 가능함을 확인함.